Биологи из Университета имени Генриха Гейне в Дюссельдорфе и Оттавского университета представили гипотезу, согласно которой жизнь на Земле могла возникнуть дважды. Результаты работы опубликованы в журнале Science Advances.
Ученые восстановили ранние этапы формирования метаболических систем и проследили, как бактерии и археи независимо друг от друга обрели способность к свободной жизни. Главные выводы — в сжатом формате ниже.
Главные мысли за 1 минуту
- Древнейший метаболизм представлял собой сеть примерно из 420 химических реакций, которая превращала водород, углекислый газ, аммиак, сероводород и фосфаты в аминокислоты и другие строительные блоки клеток.
- У LUCA — последнего общего предка всех клеточных организмов — ферменты имелись лишь для половины этих реакций, остальные процессы протекали на природных металлах.
- Бактерии и археи выработали разные ферменты для одних и тех же реакций, что говорит об их независимом переходе к свободноживущему состоянию.
- Энергию для раннего метаболизма мог обеспечивать фосфит в сочетании с металлами переходной группы, а не привычная АТФ.
- Эволюция катализаторов прошла четыре этапа: от неорганических металлов через гибридную систему к раздельным ферментным наборам бактерий и архей.
Как работал метаболизм до появления ферментов
Происхождение первых живых организмов остается одной из самых сложных проблем современной биологии. Для возникновения жизни требовался комплекс химических реакций, лежащих в основе обмена веществ, самоподдерживающиеся сети и ферментативный катализ. На ранних этапах существования Земли ферментов еще не было, поэтому первые метаболические реакции должны были идти иным путем.
Несмотря на споры о том, как именно формировался первичный обмен веществ, исследователи сходятся в одном: древнейший метаболизм представлял собой взаимосвязанную сеть примерно из 420 реакций. Эта сеть преобразовывала водород, углекислый газ, аммиак, сероводород и фосфаты в аминокислоты, азотистые основания и кофакторы — основные строительные блоки будущих клеток.
LUCA и гибридный обмен веществ
Главный вопрос касался LUCA — последнего универсального общего предка всех современных клеточных организмов. Долгое время было непонятно, мог ли LUCA синтезировать все необходимые промежуточные соединения самостоятельно или получал часть веществ напрямую из окружающей среды. Ответить на это мешало небольшое количество экспериментальных данных по ранней эволюции обмена веществ.
Специалисты из Дюссельдорфа проанализировали геномы, структуры белков и химические реакции, относящиеся к самым ранним этапам эволюции микроорганизмов. Проведенный анализ показал: LUCA имел ферменты лишь примерно для половины из 420 основных метаболических реакций. Остальные процессы могли обеспечивать природные металлы, присутствовавшие в гидротермальных источниках. Соавтор работы Джозеф Моран из Оттавского университета отметил, что ранняя биохимическая эволюция представляла собой гибридную систему, в которой одновременно использовались ферменты и неорганические катализаторы.
Четыре этапа становления катализа
Исследователи выделили четыре последовательных этапа развития каталитических механизмов. На первом химические реакции обеспечивались исключительно металлами земной коры. Затем возникла гибридная система, сочетавшая металлический и ферментативный катализ. После этого бактериальная и архейная линии начали развиваться независимо, постепенно заменяя неорганические катализаторы собственными ферментами.
Такой сценарий объясняет, почему у бактерий и архей оказались разные ферменты для выполнения одних и тех же жизненно важных реакций. Обе линии самостоятельно сформировали механизмы, позволившие им существовать в виде свободноживущих клеток.
Энергия без АТФ: фосфит и металлы переходной группы
Для работы древнейшего метаболизма требовался источник энергии. Сегодня эту функцию выполняет АТФ, но она синтезируется ферментами и не встречается естественным образом в гидротермальных источниках, где предположительно зародилась жизнь. В качестве альтернативы ученые предлагают фосфит — природную форму фосфора, которая есть в гидротермальных системах. В сочетании с металлами переходной группы она обеспечивала реакции фосфорилирования органических соединений всего за одну ночь в лабораторных экспериментах, заменяя АТФ и ферменты.
Два независимых происхождения жизни
Полученные данные позволяют по-новому взглянуть на возникновение жизни. Авторы подчеркивают, что общий генетический код возник один раз, однако бактериальная и архейная линии независимо эволюционировали до состояния свободноживущих клеток. Поскольку именно свободноживущие клетки считаются полноценной жизнью, исследователи делают вывод о двух независимых происхождениях жизни в современном понимании этого понятия.
Гипотеза требует дальнейшей проверки и научного обсуждения, так как затрагивает одну из наиболее фундаментальных проблем биологии.
